AP1000MW核电机组冷却塔结构数据的优化和研究

周兰欣，赵笙箫

(华北电力大学 电站设备状态检测与控制教育部重点实验室，河北 保定 071003)

AP1000MW核电机组冷却塔结构数据的优化和研究

周兰欣，赵笙箫

(华北电力大学 电站设备状态检测与控制教育部重点实验室，河北 保定 071003)

利用计算机软件，对某AP1000MW核电机组的超大型冷却塔进行了数值模拟，据综合计算，得出了冷却塔的喉部高度与塔高之比，确定了冷却塔喉部的上部曲率，并分析了喉部半径与零米处的半径之比。优化冷却塔的结构参数，减少了对出塔水温的影响。计算结果表明，当冷却塔的结构参数为特定值时，可提高冷却塔的性能。

核电； 超大型； 冷却塔； 塔体； 结构； 数值； 模拟； 计算

0 概 述

核能发电是一种高效清洁的发电方式。目前，核电机组由沿海向内陆发展已成为趋势。在AP1000MW核电机组中，自然通风冷却塔的淋水面积比同容量火电机组大40%～45%[1-3]。塔体的结构尺寸也随着淋水面积而急剧增加。因此，优化超大型冷却水塔的结构参数，也是一个紧迫的问题。

现以ANSYS Fluent软件为计算工具[4-7]，在给定冷却水塔填料层厚度[8-9]、淋水密度[10]、环境温度和湿度的条件下[2]，通过优化塔体的喉部直径、喉部高度、出口直径，以达到降低出塔水温的目的。

冷却塔母线方程计算式[1,3]：

(1)

式(1)中，r为冷却塔半径；h为冷却塔高度；α为冷却塔曲率；r0是喉部半径。

采用Fluent软件，研究了塔体结构与出塔水温的关系。喉部上部曲率αu1取值为0.11、0.13、0.15、0.17、0.19；喉部高度与塔高比(喉部高度比)h2/h取值为0.6、0.7、0.8、0.9；喉部半径与零米半径比(喉部半径比)r0/r2取值为0.2～0.8。

1 计算模型

冷却塔塔内的流体，可分为充满整个冷却塔塔内空间的湿空气(连续相)、冷却塔雨区和喷淋区的水滴(离散相)、填料区液膜[9]。基于流体力学理论，采用ANSYS Fluent软件，计算冷却塔的热力性能。在喷淋区和雨区，采用离散相模型，计算塔内水滴的流动。在填料区、配水区、除水器区内，采用多孔介质模型，模拟气水之间的传热传质。

1.1 湿空气控制方程

(2)

1.2 水滴传热传质方程

在冷却塔内，水滴与空气相之间发生对流换热，水滴中的热焓传递给空气。水滴温度的计算：

(3)

式(3)中，Mp是计算域内控制体的水滴质量；Tp是控制体的水滴温度；Tadb是空气干球温度；Ap是水滴的换热表面积；cp是水滴的比定压热容；h是对流传热系数；hfg是水的汽化潜热；t是水滴下落时间。

1.3 阻力计算

进行阻力计算时，通常把冷却塔分成：进风口、雨区、填料区、喷淋区以及除水器区，然后分别计算各区域的阻力。进风口、雨区、填料以及除水器等塔芯结构的阻力，一般用压降方式表示：

Δp=AρVn

(4)

式(4)中，A、n是实验测试数据的经验数据。

(5)

式(5)中，Ax、Ay、Az、Mx、My、Mz是特性系数；q是淋水密度，m3/(m2·h)；ρ1是进塔空气密度，kg/m3；ρm是进出塔空气密度平均值，kg/m3。

1.3.2 除水器阻力系数ξc

(6)

1.3.3 其它结构阻力系数

进风口阻力系数ξjfk和配水管网阻力系数ξgw均取值为0.5。

2 计算边界及网格划分

2.1 几何模型及网格划分

某AP1000MW核电机组的冷却塔，在初选塔形时，设定的总高度为220 m，零米直径为173.228 m，塔筒底部直径为165.3 m，填料顶面直径为163.56 m，塔顶出口直径为109 m，进风口高度为12.2 m，填料厚度为2 m，淋水面积为20 000 m2。

计算域为直径600 m、高度800 m的圆柱体，计算区域分成塔内流场和塔外流场。在塔内流场，使用六面体和楔形网格划分方法，如图1所示。在塔外区域，采用六面体结构的网格划分方法。计算表明，当计算模型的网格数量分别为145万和180万时，出塔水温相差不超过3%，因此，将网格数量定为145万进行模拟计算。

图1 网格划分

2.2 工况条件

核电机组所在地的气象及工况条件，如表1所示。

表1 气象条件及计算工况

序号热力工况年均气象条件1大气压力/hPa10062干球温度/℃17.53湿球温度/℃14.74相对湿度/℃75.55冷却水量/m3·s-1536冷却水温差/℃10.57进水温度/℃40

2.3 边界条件

在无风工况下，进出口压力均为计算时的边界条件，如图2所示。塔壁、环境地面为无滑移边界条件；离散相在进出口、水池面、环境地面均为逃逸边界条件；循环水水滴采用面射流模型引入塔内，水滴当量直径为5 mm。

图2 边界条件

3 塔型的计算结果

3.1 塔内速度场分布

在v=0 m/s工况下，当喉部半径与零米半径比为0.2～0.8，通过计算，分析了半径比对冷却性能的影响。在图3中，分别列出了r0/r2=0.55、0.6、0.65、0.7时，z=0截面速度的分布图。在静风工况下，塔内流场呈现轴对称形式流动。湿空气沿程受到塔芯结构的阻力作用，进风口到除水器风速处于低速区，在填料层风速达到最小。经过填料层换热的湿热空气基本达到饱和，由于淋水区、配水系统、除水器的阻力系数较小，经过填料后的空气流速逐渐提高。经计算可知，当r0/r2=0.65时，风筒喉部平均风速达到最大值，通风量达到最大值，为35 906.977 kg/s。这是因为当r0/r2=0.55、0.6时，风筒喉部通风面积与淋水面积之比相对较小，通风阻力较大，喉部风速增加有限；当r0/r2=0.7时，风筒喉部面积与淋水面积之比增大过多，不能充分地发挥塔筒结构的抽吸作用，导致喉部流速降低。

(a) r0/r2=0.55 (b) r0/r2=0.6

(c) r0/r2=0.65 (d) r0/r2=0.7

图3 当h0/h=0.77时，z=0截面速度分布图(单位：m/s)

3.2 水池面温度分布

图4反映的是不同的喉部半径与零米半径之比r0/r2=0.55、0.6、0.65、0.7的水池面温度等值线图。由图4可知，水池面温度由外向内逐渐升高，在水池面的中心区域达到最大值。随着r0/r2逐渐增大，水池面温度的平均值，有先降后增的变化趋势。当r0/r2=0.65时，水池面的平均温度值最低，而当r0/r2=0.7时，水池面平均温度值明显有所回升。

(a) r0/r2=0.55 (b) r0/r2=0.6

(c) r0/r2=0.65 (d) r0/r2=0.7

图4 喉部半径比为定值时，水池面温度分布图(单位：K)

图5反映的是不同的喉部高度比h2/h=0.6、0.7、0.8、0.9的水池面温度等值线图。由图5可知，h2/h的比值变化，对出塔水温有一定的影响。随着h2/h比值的增大，出塔水温先降后升，存在一个最优值。当h2/h=0.8时，水池面的平均温度值最低。这是因为风筒喉部高度过高或过低，都将导致冷却塔的总阻力系数增大。如果喉部高度的比值较大，风筒就需要更大的抽力，在气象条件不变的情况下，需建造更高的风筒。但是，如果喉部高度比值较小，出口阻力系数过大，导致冷却塔总阻力系数增大，冷却塔性能降低，将使出塔水温升高。

(a)h2/h=0.6 (b)h2/h=0.7

(c)h2/h=0.8 (d)h2/h=0.9

图5 当喉部高度比一定时，水池面温度分布图(单位：K)

3.3 塔体参数对出塔水温的影响

塔筒出口半径增大，则塔筒上部曲率αu1也相应增大。从表2可知，上部曲率为0.19与上部曲率为0.11时相比，出塔水温的平均值降低了0.092℃。这是由于出口直径减小，出口阻力增加，使得通风量减少，造成出塔水温偏高。

表2 当h2/h=0.77，r0/r2=0.6时，喉部上部曲率αu1对出塔水温的影响

序号12345上部曲率0.110.130.150.170.19出塔水温/℃29.63729.61329.58829.56329.545

表3反映了出塔水温随着喉部高度比h2/h先降低而后升高。当h2/h=0.8时，取得最优值，且h2/h=0.8比h2/h=0.9的出塔水温降低了0.526℃。

表4表明，当h2/h=0.770时，出塔水温随着喉部半径和零米半径之比r0/r2先减小，后增大，说明r0/r2的比值存在一个转折点，即最优点。当h2/h=0.8，r0/r2=0.65比h2/h=0.8、r0/r2=0.6时，出塔水温降低了0.204℃。

表3 当r0/r2=0.6时，喉部高度和塔高之比h2/h对出塔水温的影响

序号1234h2/h0.60.70.80.9出塔水温/℃29.92729.70429.45129.977

表4 当αu1=0.19时，h2/h和r0/r2对出塔水温tout的影响(单位：℃)

h2/hr0/r20.550.60.650.70.75529.74829.60929.39729.6910.76729.71629.57629.36429.6600.77029.68529.54529.33229.6290.78529.65429.51329.30029.6260.79329.62429.48329.27929.5960.80029.59329.45129.24729.565

4 结 语

以某核电机组的超大型冷却塔的模拟计算为例，分析了塔体结构参数对出塔水温的影响规律，得到了较为优化的冷却塔结构参数。

(1)当h2/h=0.77，r0/r2=0.6时，αu1=0.19比αu1=0.11出塔水温平均值降低了0.092℃。

(2)当αu1=0.19时，随着喉部高度和塔高之比h2/h的增加，出塔水温平均值先降低后升高。h2/h=0.8比h2/h=0.9的出塔水温降低了0.526℃。

(3)当αu1=0.19，h2/h=0.8时，r0/r2=0.65与r0/r2=0.6相比，出塔水温降低了0.204℃。

[1] 西北电力设计院．电力工程水务设计手册[M]．北京：中国电力出版社，2005．

[2] 蒋波，周兰欣．自然通风湿式冷却塔热力特性数值模拟[J]．水利学报，2009，40(2)：208-213．

[3] 周兰欣，马少帅，弓学敏．AP1000MW核电机组巨型冷却塔型体优化数值研究[J]．动力工程，2013，32(12)：984-989．

[4] 赵元宾，孙奉仲，王凯．自然通风湿式冷却塔传热传质的三维数值分析[J]．山东大学学报，2008，38(5)：36-41．

[5] Adam Klimanek．Numerical Modeling of Natural Draft Wet-Cooling Towers. Archives of Computational Methods in Engineering[J]．2013，10(9)：61-109．

[6] Jin Tai，Zhang Li，Luo Kun，et al．Three-dimensional Numerical Study on Thermal Performance of a Super Large Natural Draft Cooling Tower of 200m Height[J]．Journal of Thermal Science，2013，22(3)：234-241．[7] Nicolas Blain，Antonie Belaud，Matthieu Miolane．Development and validation of a CFD model for numerical simulation of a large natural draft wet cooling tower[J]．Applied Thermal Engineering，2016，10(5)：953-960．

[8] Qiangyu Dong，Fengzhong Sun，Yuanbin Zhao．Impact mechanism of different fill layout patterns on the cooling performance of the wet cooling toer with water collecting devices[J]．Applied Thermal Engineering，2016，1(10)：1389-1400．

[9] M．Khamis Mansour，M．A．Hassab．Innovative correlation for calculating thermal performance of counter flow wet-cooling tower[J]．Energy，2014，7(4)：855-862．

[10] Thirapong Muangnoi，Wanchai Asvapoositkul，Pibool Hungspreugs．Performance characteristics of a downward spray water-jet cooling tower [J]．Applied Thermal Engineering，2014，6(9)：165-176．

Study and Optimization on Structure Data of Cooling Tower of AP 1000MW Nuclear Power Unit

ZHOU Lan-xin，ZHAO Sheng-xiao

(The Key Laboratory of Ministry of Education of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei, China)

A super large cooling tower of AP1000MW nuclear power unit was simulated according to the calculation by use of computer software, through comprehensive calculations, the ratio of cooling tower throat height and the tower height is gotten, the upper curvature of the cooling tower throat, and the ratio of throat radius meters and zero radius is analyzed. The structural parameters of the cooling tower were optimized to reduce the influence on the water temperature of the tower. The results show that the performance of the cooling tower can be improved when the structural parameters of the cooling tower are specific.

nuclear power; large; cooling tower；tower body; structure；numerical; stimulate; calculation

1672-0210(2017)01-0001-04

2016-10-31

2016-11-08

周兰欣(1956-)，男，教授，主要从事直接空冷机组节能方面的研究及汽轮机的节能优化。

TL353+.1

A